消息摘要算法總結與實踐

序言

消息摘要算法平常使用的頻率很高，經常我們用它來驗證數據是否被篡改。還有驗證網絡傳輸文件時，文件是否被篡改等等。

消息摘要算法有哪些

消息摘要算法主要分爲三類： MD 、 SHA 、 MAC

MD(Message Digest) : 消息摘要
SHA(Secure Hash Algorithm) : 安全散列
MAC(Message Authentication Code) : 消息認證碼

主要用途： 驗證消息的完整性

主要特性：

輸入的消息不受限制，但是輸出的消息（經過消息摘要算法後的消息）固定；
如果輸入的消息不同，輸出的消息也肯定不同；
消息摘要算法是不可逆的；即不能從摘要後的消息解析出任何源信息相關的信息

MD(Message Digest) : 消息摘要

MD系列算法一般有： MD2 、 MD4 、 MD5，數字的值越大代表算法的版本越高，安全就越強。即 MD5 > MD4 > MD2 。自然破解難度MD5最高，平常用的最多的也是MD5算法。

MD系列算法輸出信息的摘要長度都是固定的128bit ,即16字節；

因爲JDK不支持MD4算法，我們需引用第三方的依賴。在 pom.xml下加入這段才能使用MD4

<dependency>
  <groupId>org.bouncycastle</groupId>
  <artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId>
  <version>1.62</version>
</dependency>

代碼示例：

/**
* @program
* @Desc MD消息摘要算法 測試
* @Author 遊戲人日常
* @CreateTime 2019/07/09--15:14
*/
public class MDTest {

	private static final String src = "helloWorld";

	public static void main(String[] args) {
    	jdkMD5();
    	jdkMD2();
    	bcMD4();
    	jdkAndBcMd4();
	}

	//JDK 實現
	public static void jdkMD5() {
    	try {
        	//得到消息摘要對象
        	MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD5");
        	//對src 字符串進行消息摘要
        	byte[] md5Bytes = md.digest(src.getBytes());
        	//對得到的字節數組 轉爲16進制
        	String result = new BigInteger(md5Bytes).toString(16);
        	System.out.println(result);
    	} catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        	e.printStackTrace();
    	}
	}

	//JDK 實現
	public static void jdkMD2() {
    	try {
        	//得到消息摘要對象
        	MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD2");
            //對src 字符串進行消息摘要
            byte[] md5Bytes = md.digest(src.getBytes());
            //對得到的字節數組 轉爲16進制
            String result = new BigInteger(md5Bytes).toString(16);
            System.out.println(result);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //結合JDK 來實現
    public static void jdkAndBcMd4() {
        try {
            //加入BouncyCastle的支持 也可以不通過代碼，需在Java/jdk1.8.0_181/jre/lib/security/java.security加入
            Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());
            // 得到MD 消息摘要對象
            MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("MD4");
            //對src 字符串進行消息摘要
            byte[] mD4Bytes = md.digest(src.getBytes());
            //對得到的字節數組 轉爲16進制
            String result = new BigInteger(mD4Bytes).toString(16);
            System.out.println(result);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    //通過 第三方 bouncy castle 來 實現
    public static void bcMD4() {
        //創建 MD4Digest 對象
        Digest md4Digest = new MD4Digest();
        //更新消息摘要 通過src字節數組
        md4Digest.update(src.getBytes(), 0, src.getBytes().length);
        //初始化字節數組大小
        byte[] mD4Bytes = new byte[md4Digest.getDigestSize()];
        //關閉摘要，然後得到摘要後的值
        md4Digest.doFinal(mD4Bytes, 0);
        //對得到的字節數組 轉爲16進制
        String result = new BigInteger(mD4Bytes).toString(16);
        System.out.println(result);
    }
}

SHA(Secure Hash Algorithm) : 安全散列

SHA系列算法從版本上一般分爲兩類： SHA-1 和 SHA-2

SHA-1就是我們常見的SHA1 , SHA-2主要有SHA224 、 SHA256 、 SHA384 、 SHA512等等，不同的數字代表輸出消息的位數，與MD系列算法一樣，數字高表示算法的安全性越高，但不同於MD系列算法的是，SHA系列算法輸出的信息摘要長度不一樣。

SHA1 摘要算法後，輸出的信息爲160bit, 即20字節；
SHA224 摘要算法後，輸出的信息爲224bit, 即28字節；
SHA256 摘要算法後，輸出的信息爲256bit, 即32字節；
SHA384 摘要算法後，輸出的信息爲384bit, 即48字節；
SHA512 摘要算法後，輸出的信息爲512bit, 即64字節；

代碼示例：

**
 * @program
 * @Desc  SHA 測試
 * @Author 遊戲人日常
 * @CreateTime 2019/07/09--17:44
 */
public class SHATest {

    public static final String src="helloWorld";

    public static void  main(String [] args){
        jdkSHA1();
        bcSHA224();
        jdkSHA256();
        jdkSHA384();
        jdkSHA512();
    }

    //JDK實現
    public static void jdkSHA1(){
        try {
            //得到消息摘要對象
            MessageDigest md=MessageDigest.getInstance("SHA");
            //對src 字符串進行消息摘要
            byte[] md5Bytes = md.digest(src.getBytes());
            //對得到的字節數組 轉爲16進制
            String result = new BigInteger(md5Bytes).toString(16);
            System.out.println(result);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    // 通過 第三方 bouncy castle 來 實現
    public static void bcSHA224(){
        //創建 MD4Digest 對象
        Digest digest = new SHA224Digest();
        //更新消息摘要 通過src字節數組
        digest.update(src.getBytes(), 0, src.getBytes().length);
        //初始化字節數組大小
        byte[] mD4Bytes = new byte[digest.getDigestSize()];
        //關閉摘要，然後返回摘要後的值
        digest.doFinal(mD4Bytes, 0);
        //對得到的字節數組 轉爲16進制
        String result = new BigInteger(mD4Bytes).toString(16);
        System.out.println(result);
    }
    //JDK實現
    public static void jdkSHA256(){
        try {
            //得到消息摘要對象
            MessageDigest md=MessageDigest.getInstance("SHA-256");
            //對src 字符串進行消息摘要
            byte[] md5Bytes = md.digest(src.getBytes());
            //對得到的字節數組 轉爲16進制
            String result = new BigInteger(md5Bytes).toString(16);
            System.out.println(result);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //JDK實現
    public static void jdkSHA384(){
        try {
            //得到消息摘要對象
            MessageDigest md=MessageDigest.getInstance("SHA-384");
            //對src 字符串進行消息摘要
            byte[] md5Bytes = md.digest(src.getBytes());
            //對得到的字節數組 轉爲16進制
            String result = new BigInteger(md5Bytes).toString(16);
            System.out.println(result);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //JDK實現
    public static void jdkSHA512(){
        try {
            //得到消息摘要對象
            MessageDigest md=MessageDigest.getInstance("SHA-512");
            //對src 字符串進行消息摘要
            byte[] md5Bytes = md.digest(src.getBytes());
            //對得到的字節數組 轉爲16進制
            String result = new BigInteger(md5Bytes).toString(16);
            System.out.println(result);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

MAC(Message Authentication Code) : 消息認證碼

MAC算法不同於MD和SHA，因爲在MD和SHA算法基礎上添加了密鑰。所以安全性相比MD和SHA系列更高。
MD系列：HmacMD2 、HmacMD4 、HmacMD5
SHA系列： HmacSHA1 、 HmacSHA224 、HmacSHA256 、HmacSHA384 、HmacSHA512
摘要後的長度跟MD和SHA系列一樣。如HmacMD5摘要長度跟MD5一樣，即160bit，20字節；

代碼示例：

/**
 * @program
 * @Desc MAC 測試
 * @Author 遊戲人日常
 * @CreateTime 2019/07/09--19:44
 */
public class MACTest {

    public static final String src="helloWorld";

    public static void  main(String [] args){
        jdkHmacMD5();
        HmacSHA1();
    }
    //JDK實現
    public static void jdkHmacMD5(){
        try {
            //獲取key生成器對象
            KeyGenerator keyGenerator=KeyGenerator.getInstance("HmacMD5");
            //獲取密鑰對象
            SecretKey secretKey=keyGenerator.generateKey();
            //獲取密鑰
            //byte [] key=secretKey.getEncoded();
            //可以自己設置密鑰的來源， 必須是16進制， 長度是2的倍數
            byte [] key=Hex.decode("123456789abcde");

            //還原密鑰  第二個參數是算法名稱
            SecretKey restoreSecretKey= new SecretKeySpec(key,"HmacMD5");
            //獲取Mac對象
            Mac mac=Mac.getInstance(restoreSecretKey.getAlgorithm());
            //初始化Mac
            mac.init(restoreSecretKey);
            //對src執行摘要
            byte[] hmacMD5Bytes= mac.doFinal(src.getBytes());
            //對摘要的信息字節數組 轉爲16進制
            String result = new BigInteger(hmacMD5Bytes).toString(16);
            System.out.println(result);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    //JDK實現
    public static void HmacSHA1(){
        try {
            //獲取key生成器對象
            KeyGenerator keyGenerator=KeyGenerator.getInstance("HmacSHA1");
            //獲取密鑰對象
            SecretKey secretKey=keyGenerator.generateKey();
            //獲取密鑰
            //byte [] key=secretKey.getEncoded();
            //可以自己設置密鑰的來源， 必須是16進制， 長度是2的倍數
            byte [] key=Hex.decode("123456789abcde");

            //還原密鑰  第二個參數是算法名稱
            SecretKey restoreSecretKey= new SecretKeySpec(key,"HmacSHA1");
            //獲取Mac對象
            Mac mac=Mac.getInstance(restoreSecretKey.getAlgorithm());
            //初始化Mac
            mac.init(restoreSecretKey);
            //對src執行摘要
            byte[] hmacMD5Bytes= mac.doFinal(src.getBytes());
            //對摘要的信息字節數組 轉爲16進制
            String result = new BigInteger(hmacMD5Bytes).toString(16);
            System.out.println(result);
        } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InvalidKeyException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
//其他的摘要實現一樣，大致都差不多，就不實現了。

密鑰不同，得到的摘要消息肯定不同。密鑰的來源可以自己來構建，但必須滿足是16進制，長度是2的倍數。

應用場景

登陸註冊時：用戶註冊時，我們平常會把關鍵的信息會進行摘要後，如：密碼。然後持久化在數據庫中。用戶登陸時：我們就對密碼進行摘要然後去數據庫去查詢。一般採取的摘要算法是MD5。

註冊登陸時序圖如下：

上面只是個簡單的用戶註冊和登陸流程，爲什麼要對密碼進行摘要，不進行摘要的話，一旦如果數據庫中的數據泄露了，如：用戶名和密碼，別人就可以拿這個用戶名和密碼去登陸。摘要的話，別人即使獲取到用戶名和密碼，也是登陸不成功。但是現在的MD5被國人破解了。

網絡傳輸數據時：有些安全性比較高的，會對HTTP/HTTPS請求中的參數進行摘要，然後把摘要信息一併傳輸。請求中參數具體怎麼摘要這個自己定。一般還會提供個key。

某個SDK的服務器文檔：

我們可以看到這個是把secret+uid+psid+roleid+amount+type+htnonce 這些參數值進行摘要，生成的值和原來的各個參數來作爲HTTP參數。這個文檔的參數是按照這個規則來進行摘要的，有的會用參數的key進行排序然後來進行摘要。具體的規則還是客戶端和服務器端進行商定。

在Android領域，我們會比較apk中md5（指的是對Android簽名文件的摘要。對apk解壓後的original\META-INF\XXX.RSA文件中），來比較這個apk是否被二次打包過。其他的文件也是一樣，來判斷是否被修改過

這個工具源碼： https://github.com/songshuilin/parseApk

總結

上面列出三種摘要算法系列： MD系列、 SHA系列、 MAC系列。但是我們還會見到CRC系列，在WinRAR 、WinZIP等軟件中。
一般情況下安全性 MAC > SHA > MD > CRC

消息摘要特點：

變長輸入、定長輸出：即不管輸入的消息多長，計算出來的摘要的長度是固定的。
輸入不同，摘要不同。輸入相同，摘要相同；
單向不可逆：即只能進行正向的摘要，而無法從摘要中恢復原來的任何信息。
“碰撞” 難找到：好的摘要算法，很難找到碰撞，雖然碰撞是肯定存在。即無法找到兩個不同的消息，但是他們的摘要相同。

消息摘要算法總結與實踐

序言

消息摘要算法有哪些

MD(Message Digest) : 消息摘要

SHA(Secure Hash Algorithm) : 安全散列

MAC(Message Authentication Code) : 消息認證碼

應用場景

總結

公司剛入職了一名 Java 中級開發，短短 4 行代碼居然湊齊了 3 個 bug！我哭了~~

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